AUTOMATYKA wykład 1 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 1 1. Podstawowe definicje 1.1. Automatyzacja Zastępowanie człowieka w czynnościach sterowniczych przez odpowiednie urządzenia sterujące, np. automatyzacja kotłowni, węzła ciepłowniczego i inne. Przykłady. Wady. Zalety. 1.2. Automatyka Dziedzina nauki obejmująca teorię i praktykę budowy urządzeń sterujących i regulacyjnych, np. automatyka budynkowa, przemysłowa. 2. Technika regulacji i sterowania 2.1. Regulacja Jest to czynność, w trakcie której jakąś wielkość fizyczną (np. temperaturę czy ciśnienie powietrza) mierzy się na bieżąco, porównuje z inną wielkością wzorcową i pomimo zakłócających wpływów zewnętrznych utrzymuje na stałym poziomie lub w określonych granicach (z dopuszczalną odchyłką). 2.2. UAR Układ Automatycznej Regulacji zespół urządzeń automatyzujących dany proces czy instalację. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 2 1
2.3. Regulacja temp. w pomieszczeniu Z1 Z2 Z3 C 24 22 2 + 20 C 20 18 16 3 1 4 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 3 2.4. UAR temp. w pomieszczeniu Z1 Z2 Z3 2 T y 1 u w 3 4 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 4 2
2.5. Elementy i sygnały w UAR Każdy typowy UAR składa się z następujących elementów składowych: 1 = REGULATOR Z 1 Z 2 Z 3 2 = CZŁON POMIAROWY 3 = CZŁON WYKONAWCZY 2 4 = OBIEKT REGULACJI T y 1 u z = wielkości zakłócające y = wielkość regulowana w w = wartość zadana u = wielkość nastawna 4 3 2.6. Sterowanie Jest to proces w układzie otwartym, w którym wielkość wejściowa wpływa na wielkość wyjściową według prawidłowości właściwej danemu obiektowi. Regulacja natomiast odbywa się w układzie zamkniętym (sygnał krąży w pętli). Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 5 2.7. Sterowanie temp. w pomieszczeniu 4 Z1 Z2 Z3 4 2 C 20 10 0-10 + 20 C + 20 C -20 3 1 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 6 3
2.7. Sterowanie temp. w pomieszczeniu Z1 Z2 Z3 4 + 20 C 4 + 20 C u 2 y T 1 3 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 7 3. Schemat blokowy UAR Większość urządzeń, układów i procesów automatycznego sterowania i regulacji można przedstawić za pomocą schematów blokowych Przedstawiają one w postaci graficznej budowę UAR i jednoznacznie opisują jego działanie (drogę sygnałów) przy znanej zależności między sygnałem wejściowym i wyjściowym. sygnał wejściowy Element automatyki zmiana sygnału sygnał wyjściowy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 8 4
3.1. Symbole w schematach blokowych Blok podstawowy: we wnętrzu prostokąta podawana jest matematyczna zależność pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym: G = a / b a G b Linia sygnałowa: odcinek lub linia łamana łącząca bloki na schemacie. Strzałka symbolizuje kierunek przepływu sygnału. Węzeł informacyjny: obrazuje miejsce w układzie z którego pobierana jest informacja. a a a a Węzeł sumujący: zachodzi w nim algebraiczne sumowanie sygnałów. Znak ujemny na grocie strzałki oznacza że dany sygnał jest odejmowany: c = a + b a b c Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 9 3.3. Połączenie szeregowe Zależność wypadkową Gw pomiędzy sygnałami wyznaczamy ze wzoru: Gw = G1 G2 a G1 G2 b a Gw b Dla dowolnej liczby n bloków połączonych szeregowo: Gw = G1 G2 Gn 3.4. Połączenie równoległe a G1 G2 + + b a Gw b Zależność wypadkową Gw pomiędzy sygnałami wyznaczamy ze wzoru: Gw = G1 + G2 Dla dowolnej liczby n bloków połączonych szeregowo: Gw = G1 + G2 + + Gn Jeżeli sygnał jest ujemy wówczas we wzorze pojawia się - (minus). Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 10 5
3.5. Sprzężenie zwrotne a G1 ± b a Gw b G2 Zależność wypadkową Gw pomiędzy sygnałami wyznaczamy ze wzoru: G1 Gw = 1± G1 G2 Znak dodatni występuje przy sprzężeniu ujemnym, znak ujemny w sprzężeniu dodatnim. 3.6. Schemat blokowy - przykład Stosując powyższe zasady można wyznaczać zależność wypadkową dowolnych układów, np.: a ± G1 G3 G2 + + b G4 Dla poprawnego opracowania wyniku wymagana jest znajomość właściwości każdego z bloków (elementów) automatyki. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 11 4.1. Schemat blokowy REGULACJI Regulacja temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym zakłócenia Z w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy z = wielkości zakłócające y = wielkość regulowana w = wartość zadana u = wielkość nastawna e = odchyłka regulacji Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 12 6
4.1. Schemat blokowy REGULACJI Regulacja temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym zakłócenia Z w e u y 1 3 4 1 = REGULATOR 2 = CZUJNIK TEMPERATURY 3 = SIŁOWNIK ZAWORU 4 = POMIESZCZENIE Z GRZEJNIKIEM T 2 z = wielkości zakłócające y = wielkość regulowana w = wartość zadana u = wielkość nastawna e = odchyłka regulacji Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 13 4.2. Schemat blokowy STEROWANIA zakłócenia Z w Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji z = wielkości zakłócające w = wartość zadana u = wielkość nastawna Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 14 7
4.2. Schemat blokowy STEROWANIA zakłócenia Z w u 1 3 4 1 = REGULATOR 3 = CZŁON WYKONAWCZY 4 = OBIEKT REGULACJI z = wielkości zakłócające w = wartość zadana u = wielkość nastawna Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 15 5.1. STACJA HYDROFOROWA w P y w u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y regulator pompy zbiornik Człon pomiarowy czujnik ciśnienia Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 16 8
5.2. REGULACJA TEMP. NAWIEWU T w w Człon wykonawczy Obiekt regulacji y regulator nagrzewnica przewody Człon pomiarowy czujnik temperatury Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 17 5.3. Przykład 3: OGRZEWANIE STREFOWE T w M z/do źródła ciepła w Człon wykonawczy Obiekt regulacji y regulator zawór regulacyjny Człon pomiarowy czujnik temperatury pomieszczenie Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 18 9
5.4. OGRZEWANIE INDYWIDUALNE w T w Człon wykonawczy Obiekt regulacji y regulator kocioł pomieszczenie Człon pomiarowy czujnik temperatury Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 19 5.5. Regulacja temp. powietrza w pomieszczeniu z w 1 T y T 2 5 w 1 u 3 5 y 2 u 6 3 4 1 - regulator, 2 - człon pomiarowy, 3 - człon wykonawczy, 4 - pompa obiegowa, 5 - grzejnik w pomieszczeniu, 6 -źródło ciepła Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 20 10
5.6. Sterowanie temp. powietrza w pomieszczeniu i regulacja temp. wody zasilającej grzejnik y 5 w y 5 1 y u 3 2 z 6 3 u 1 T 4 w y T 2 1 - regulator, 2 - człon pomiarowy, 3 - człon wykonawczy, 4 - pompa obiegowa, 5 - grzejnik w pomieszczeniu, 6 -źródło ciepła Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 21 5.7. Pogodowa regulacja temp. wody zasilającej grzejnik i sterowanie temp. powietrza w pomieszczeniu T 7 w 6 y 5 8 u w T 3 2 y T 2 4 w 8 w y 5 z 1 y 1 - regulator, 2 - człon pomiarowy, 3 - człon wykonawczy, 4 - pompa obiegowa, 5 - grzejnik w pomieszczeniu, 6 -źródło ciepła, 7 - człon pomiarowy (temp. zewn.), 8 - człon zmiany wielkości wiodącej u 3 2 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 22 11
AUTOMATYKA Wykład 2 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 23 1. Rodzaje regulacji AUTOMATYCZNA REGULACJA STAŁOWARTOŚCIOWA NADĄŻNA PROGRAMOWA Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 24 12
1.1. Regulacja STAŁOWARTOŚCIOWA Utrzymanie wartości regulowanej na stałym poziomie niezależnie od zakłóceń działających na układ. Np. regulacja temperatury c.w.u. za podgrzewaczem c.w.u. Wymagania: stała temperatura c.w.u. +60 C Zakłócenia: zmienny w czasie rozbiór (pobór) c.w.u. i inne Rozwiązanie: regulacja mocy cieplnej podgrzewacza Zawór regulacyjny M Ciepła woda użytkowa +60 C Woda zasilająca (ogrzewająca) Zimna woda użytkowa +5 C Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 25 1.1. Regulacja STAŁOWARTOŚCIOWA zakłócenia Z w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy Elementy UAR: REGULATOR: regulator temperatury CZŁON POMIAROWY: czujnik temperatury c.w.u. CZŁON WYKONAWCZY: siłownik zaworu regulacyjnego OBIEKT REGULACJI: podgrzewacz c.w.u. Sygnały w UAR z = wielkości zakłócające: zmienny rozbiór c.w.u. y = wielkość regulowana: chwilowa temperatura c.w.u. na wyjściu z podgrzewacza w = wartość zadana: temperatura c.w.u. +60 C u = wielkość nastawna: rozkaz do siłownika zaworu regulacyjnego, zamknij, otwórz e = odchyłka regulacji: różnica między w i y. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 26 13
1.1. Regulacja STAŁOWARTOŚCIOWA Wartość nastawna: u = zamknij/otwórz Regulator: temperatury c.w.u. T Wartość zadana: w = 60 C Wartość regulowana: y = 5 60 C (pomiar) Woda zasilająca (ogrzewająca) Zawór regulacyjny M T Ciepła woda użytkowa +60 C Zimna woda użytkowa +5 C Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 27 1.2. Regulacja NADĄŻNA (kompensacyjna) Ma za zadanie nadążanie za zmianami wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany (trudny do przewidzenia). Np. regulacja pogodowa instalacji c.o. Wymagania: dostosowanie mocy grzejnika do potrzeb Zakłócenia: zmienna temperatura zewnętrzna te Rozwiązanie: regulacja mocy cieplnej grzejnika poprzez zmianę temperatury wody zasilającej (przy stałym m) w funkcji temperatury zewnętrznej. te +90 źródło ciepła tz, m te = temperatura zewnętrzna tz = temperatura wody na zasilaniu m= przepływ const. grzejnik Temp. zasilania c.o. +20-20 0 +20 Temp.zewn. Wykres regulacyjny: Wykres sporządzony według znanej dla danego obiektu (pomieszczenia, budynku) zależności przyporządkowujący danej te wymaganą tz. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 28 14
1.2. Regulacja NADĄŻNA (kompensacyjna) zakłócenia Z te te/tz w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Elementy UAR: REGULATOR: regulator temperatury Człon pomiarowy CZŁON POMIAROWY: czujnik temperatury wody na zasilania tz CZŁON WYKONAWCZY: źródło ciepła (moc cieplna) OBIEKT REGULACJI: instalacja ogrzewania Sygnały w UAR z = wielkości zakłócające: zmienna temperatura zewnętrzna te y = wielkość regulowana: chwilowa temperatura wody tz na zasilaniu grzejnika (pomiar) w = wartość zadana: wymagana temperatura na zasilaniu grzejnika dla chwilowej temperatury zewnętrznej te u = wielkość nastawna: rozkaz do źródła ciepła: zwiększ tz, zmniejsz tz (modulacja mocy cieplnej) e = odchyłka regulacji: różnica między w i y. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 29 1.2. Regulacja NADĄŻNA (kompensacyjna) temp. zewnętrzna te te / tz Wartość nastawna: u = zwiększ/zmniejsz tz Regulator: temperatury tz T Wartość zadana: w = 20 90 C Wartość regulowana: y = 20 90 C (pomiar) te T tz +90 T tz, m źródło ciepła grzejnik +20-20 0 +20 te Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 30 15
1.3. Regulacja PROGRAMOWA Realizuje zadaną w czasie zmianę wartości zadanej według ściśle określonego programu godzinowego, dobowego, tygodniowego, miesięcznego, rocznego, dni roboczych i wolnych, itp. np. osłabienia nocne czy weekendowe w instalacjach centralnego ogrzewania w obiektach użytkowanych okresowo (biura, szkoły). W ramach regulacji programowej mogą być realizowane procesy sterowania i regulacji zarówno nadążnej jak i stałowartościowej. NOC praca instalacji ogrzewania z osłabieniem DZIEŃ normalna praca instalacji ogrzewania NOC praca instalacji ogrzewania z osłabieniem t i C +20 +15 0:00 7:00 17:00 24:00 czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 31 2. Jakość regulacji Poprawne działanie układu regulacji (regulowanie obiektem) zależy od doboru odpowiedniego typu regulatora do konkretnego obiektu regulacji. Poprawność działania UAR jest wyrażana jakością regulacji. Najczęściej jakość regulacji określana jest na podstawie analizy przebiegu przejściowego układu (zmian sygnału wyjściowego) będącego odpowiedzią na skokową zmianę wymuszenia (sygnału wejściowego). 2.1. Ocena jakości regulacji Analiza właściwow ciwości UAR (jakości regulacji) W STANACH STATYCZNYCH Odchyłka statyczna e jako różnica między wartością zadaną w a wielkością regulowaną y w stanie ustalonym. W STANACH DYNAMICZNYCH Charakterystyka skokowa jako odpowiedź na sygnał skokowy wywołany zakłóceniem działającym na układ. Określenie wskaźników regulacji t R, e 1 i e max Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 32 16
2.2. Jakość regulacji w stanach statycznych Kryterium oceny jest wielkość odchyłki statycznej e jako różnicy między wartością zadaną w a wielkością regulowaną y w stanie ustalonym. Im mniejsza odchyłka e, tym lepsza jakość regulacji. Stan ustalony osiągany jest gdy wartości sygnałów wejściowego i wyjściowego układu są stałe. STAN USTALONY w (wartość zadana) y (pomiar) e (odchyłka) czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 33 2.3. Jakość regulacji w stanach dynamicznych Ocena na podstawie analizy charakterystyki skokowej (przebiegu przejściowego) jako odpowiedź UAR na znaną, skokową zmianę wymuszenia (zakłócenie wprowadzone do układu). e emax e(t) e = 5% e K = e 1 /e max 100% + e e 1 - e t t R e - odchyłka regulacji, e max- odchyłka maksymalna, e 1 - odchyłka o przeciwnym znaku do e max, K - przeregulowanie, t R - czas regulacji Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 34 17
AUTOMATYKA wykład 3 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 35 1. Właściwości elementów automatyki Każdy z elementów (członów) automatyki ma określone właściwości, których korelacja określa właściwości całego układu (połączenia szeregowe, równoległe i sprzężenie zwrotne). Znajomość właściwości poszczególnych elementów automatyki jest konieczna dla poprawnego doboru UAR i dla osiągnięcia wymaganej jakości regulacji. Wymaga się dopasowania elementów UAR do danego obiektu regulacji. Należy poznać i odpowiednio uwzględnić właściwości obiektu oraz wszelkich elementów składowych UAR. Należy znać sposób zachowania się obiektu którego pracą chcemy kierować, jak reaguje na zakłócenia, jakie czynności należy podjąć aby osiągnąć określony cel, itp. zakłócenia Z w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 36 18
1.1. Właściwości elementów automatyki Właściwości elementu automatyki opisują sposób przetwarzania przez element automatyki sygnałów wejściowych (x) na sygnały wyjściowe (y). sygnał wejściowy x Element automatyki zmiana sygnału sygnał wyjściowy y Zmianie może ulegać nie tylko wartości sygnału (zwiększenie lub zmniejszenie) lecz również jego postać i przebieg w czasie (opóźnienie, wydłużenie, skrócenie, itp.) Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 37 1.2. Właściwości elementów automatyki WŁAŚCIWOŚCI ELEMENTÓW AUTOMATYKI WŁAŚCIWOŚCI STATYCZNE (stan ustalony) WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNE (wymuszenie) METODA ANALITYCZNA METODA DOŚWIADCZALNA Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 38 19
2. Właściwości STATYCZNE Właściwości statyczne elementu automatyki określa charakterystyka statyczna. Opisuje ona zależność między sygnałem wejściowym i wyjściowym danego elementu w stanie ustalonym (stanie statycznym). Charakterystykę statyczną wyznacza się analitycznie lub doświadczalnie. Stan ustalony występuje gdy wielkość sygnału wejściowego i wyjściowego osiągnęły określoną wartość i nie ulegają zmianie (z uwzględnieniem dopuszczalnej odchyłki). STAN USTALONY sygnał wejściowy x Element automatyki zmiana sygnału sygnał wyjściowy y Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 39 czas 2.1. Analityczne wyznaczanie wł. statycznych Analityczne wyznaczanie charakterystyki statycznej polega na opisaniu układu za pomocą znanych zależności matematycznych (model matematyczny). PRZYKŁAD 1: Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania. Z literatury znana jest następująca zależność: Q = A U (t i t e ) [W] W uproszczeniu: Q = f (te). Otrzymujemy teoretyczny opis zachowania się obiektu w zmiennych warunkach. Na tej podstawie możemy przygotować odpowiednią procedurę regulacji. Q -20 +12 te Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 40 20
2.1. Analityczne wyznaczanie wł. statycznych Analityczne wyznaczanie charakterystyki statycznej polega na opisaniu układu za pomocą znanych zależności matematycznych (model matematyczny). PRZYKŁAD 2: Miejscowa strata ciśnienia przy przepływie. Z literatury znana jest następująca zależność: ξ v p = 2 2 W uproszczeniu: p = f (v). Znając teoretyczny opis zachowania się obiektu w zmiennych warunkach jesteśmy w stanie opracować odpowiednią procedurę regulacji układem. p v Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 41 2.2. Wyznaczanie doświadczalne wł. statycznych PRZYKŁAD 3: Charakterystyka układu pompowego opisująca zależność wysokości podnoszenia H od wydajności G. W uproszczeniu: H = f (G) Pomiary wykonano w 4 seriach, dla wydajności G1, G2, G3 i G4. Dla każdej wydajności w stanie ustalonym odczytano osiągniętą wysokość podnoszenia H. Otrzymane punkty interpolowano do charakterystyki pompy. H H1 H2 H3 Stanowisko pomiarowe H4 G1 G2 G3 G4 G Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 42 21
3. Właściwości DYNAMICZNE Właściwości dynamiczne elementu automatyki określa charakterystyka dynamiczna. Przedstawia ona zmienność w czasie sygnału wyjściowego y po zmianie sygnału wejściowego x. Jest to odpowiedź dynamiczna elementu automatyki na zmianę sygnału wejściowego. Charakterystykę dynamiczną określa się analitycznie lub doświadczalnie. 3.1. Analityczne wyznaczanie wł. dynamicznych Analityczne określanie właściwości dynamicznych układu realizuje się za pomocą równań różniczkowych (interpretacja graficzna) lub za pomocą transmitancji operatorowych będących funkcjami zmiennej zespolonej s: G(s) = Y(s) / X(s) gdzie: X(s) i Y(s) to postać operatorowa odpowiednio sygnału wejściowego i wyjściowego Transmitancje operatorowe podstawowych elementów automatyki podane się w literaturze. Można je również wyznaczyć dla danego obiektu. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 43 3.2. Doświadczalne wyznaczanie wł. dynamicznych Doświadczalne określanie właściwości dynamicznych układu realizuje się poprzez podanie na wejście odpowiednio dobranego, znanego, zmiennego w czasie sygnału wejściowego x i rejestrację wywołanych nim zmian sygnału wyjściowego y. Ten sygnał wejściowy nazywany jest WYMUSZENIEM. Przed podaniem wymuszenia obiekt musi znajdować się w stanie ustalonym. Po podaniu sygnału wymuszenia rejestruje się przebieg zmian sygnału wyjściowego, aż do momentu osiągnięcia ponownie stanu ustalonego. Otrzymuje się odpowiedź układu zwaną również funkcją przejścia między dwoma stanami ustalonymi. Sygnał wejściowy czas Sygnał wyjściowy czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 44 22
4. CZŁONY AUTOMATYKI i ich właściwości Sposobem analitycznego odwzorowania układu jest stworzenie jego modelu złożonego z CZŁONÓW, którymi są podstawowe układy lub elementy automatyki (części składowe). Człony automatyki można dzielić według różnych kryteriów: zasady działania, budowy, zastosowania, itd. Najwygodniejszy i najpowszechniejszy jest podział członów ze względu na ich właściwości dynamiczne. 5. Standardowe wymuszenia Najwygodniejszym sposobem określenia właściwości elementu automatyki jest poznanie lub stworzenie jego charakterystyki dynamicznej. W technice badawczej elementów i układów automatyki stosuje się kilka standardowych wymuszeń dla określania właściwości dynamicznych. Sygnał otrzymany na wyjściu układu po podaniu na wejście wymuszenia nazywa się odpowiedzią. Odpowiedź skokowa bardzo dobrze charakteryzuje właściwości dynamiczne elementów i układów automatyki. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 45 5. Standardowe wymuszenia 1. Skok jednostkowy: odpowiedzią jest charakterystyka skokowa x(t) 1 0 czas t 2. Wymuszenie jednostkowe: odpowiedzią jest charakterystyka skokowa x(t) x 0 czas t 3. Wymuszenie impulsowe: odpowiedzią jest charakterystyka impulsowa x(t) + 0 czas t Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 46 23
5. Standardowe wymuszenia 4. Wymuszenie liniowo narastające: x(t) 0 czas t 5. Wymuszenie paraboliczne: x(t) 0 czas t 6. Wymuszenie sinusoidalne: odpowiedzią jest charakterystyka częstotliwościowa x(t) 0 czas t Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 47 6.1. CZŁON PROPORCJONALNY x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) k Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k współczynnik wzmocnienia czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 48 24
6.1. CZŁON PROPORCJONALNY Przykład: zawór regulacyjny Wielkość wejściowa: skok zaworu Wielkość wyjściowa: zmiana przepływu w rurociągu x(t) WYMUSZENIE 0 t y(t) ODPOWIEDŹ 0 t Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 49 6.2. CZŁON INERCYJNY I rzędu x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) k Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k współczynnik wzmocnienia T stała czasowa Cechuje go inercja. czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 50 25
6.2. CZŁON INERCYJNY I rzędu Przykład: wodna nagrzewnica powietrza Wielkość wejściowa: zmiana przepływu czynnika grzejnego Wielkość wyjściowa: zmiana temperatury powietrza za nagrzewnicą x(t) WYMUSZENIE 0 t y(t) ODPOWIEDŹ 0 t Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 51 6.2a. CZŁON INERCYJNY II rzędu x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) k Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k współczynnik wzmocnienia T o opóźnienie T stała czasowa czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 52 26
6.2a. CZŁON INERCYJNY II rzędu Przykład: podgrzewacz c.w.u. Wielkość wejściowa: zmiana przepływu czynnika grzejnego Wielkość wyjściowa: zmiana temperatury wody w podgrzewaczu x(t) WYMUSZENIE y(t) ODPOWIEDŹ 0 t 0 t Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 53 6.3. CZŁON CAŁKUJĄCY x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: T stała czasowa czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 54 27
6.3. CZŁON CAŁKUJĄCY Przykład: zbiornik z wypływem ustalonym Wielkość wejściowa: różnica strumieni Qd Qw Wielkość wyjściowa: poziom wody w zbiorniku H Q d x(t) WYMUSZENIE 0 t y(t) ODPOWIEDŹ H 0 t Q w =idem Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 55 6.4a. CZŁON RÓŻNICZKUJĄCY IDEALNY x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) + Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: Człon idealny nie da się zrealizować w rzeczywistości. czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 56 28
6.4b. CZŁON RÓŻNICZKUJĄCY Z INERCJĄ x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k współczynnik wzmocnienia T stała czasowa 0 czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 57 6.5a. CZŁON OSCYLACYJNY BEZ TŁUMIENIA x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy 2k y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k k współczynnik wzmocnienia czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 58 29
6.5b. CZŁON OSCYLACYJNY Z TŁUMIENIEM x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy 2k y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k k współczynnik wzmocnienia czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 59 6.5c. CZŁON OSCYLACYJNY Z POBUDZENIEM x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy 2k y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: k k współczynnik wzmocnienia czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 60 30
6.5. CZŁON OSCYLACYJNY Przykład: manometr cieczowy dwuramienny Wielkość wejściowa: ciśnienie pomiarowe P Wielkość wyjściowa: poziom wody w rurkach H x(t) WYMUSZENIE P Atm 0 t H y(t) ODPOWIEDŹ 0 t Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 61 6.6. CZŁON OPÓŹNIAJĄCY x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy y(t) Odpowiedź skokowa Symbol graficzny: t o - opóźnienie czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 62 31
6.6. CZŁON OPÓŹNIAJĄCY Przykład: podajnik taśmowy (taśmociąg) Wielkość wejściowa: grubość warstwy na początku podajnika G1 Wielkość wyjściowa: grubość warstwy na końcu podajnika G2 y(t) ODPOWIEDŹ x(t) WYMUSZENIE G1 G2 0 t 0 t L Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 63 7. CZŁONY AUTOMATYKI - przykłady 1. Każdy z członów układu ma określone właściwości dynamiczne. 2. Wzajemna korelacja właściwości dynamicznych poszczególnych członów określa właściwości dynamiczne całego obiektu. 3. Znajomość właściwości dynamicznych obiektu (instalacji, urządzenia, układu) jest konieczna dla poprawnego doboru i dopasowania UAR. a G1 G2 b Gw = G1 G2... Gn a G1 G2 + b + Gw = G1 + G2 +... + Gn a ± G1 G2 b G1 Gw = 1± G1 G2 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 64 32
7.1. Przykład 1: STACJA HYDROFOROWA P Właściwości członów automatyki: w y Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 65 7.2. Przykład 2: REGULACJA TEMP. NAWIEWU T Właściwości członów automatyki: w y Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 66 33
7.3. Przykład 3: OGRZEWANIE STREFOWE T M z/do źródła ciepła Właściwości członów automatyki: w y Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 67 7.4. Przykład 4: OGRZEWANIE INDYWIDUALNE T Właściwości członów automatyki: w y Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 68 34
8. Dotychczas podane informacje pozwalają na: 1. Rozpoznanie i określenie właściwości obiektu regulacji i jego poszczególnych elementów. x y 2. Określenie wymagań odnośnie jakości regulacji. e e max e(t) + e e 1 - e t t R 3. Wybór pożądanego rodzaju regulacji. STAŁOWARTOŚCIOWA PROGRAMOWA NADĄŻNA Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 69 9. Elementy UAR obiektu UAR danego OBIEKTU składa się z co najmniej z trzech podstawowych elementów tworzących pętlę regulacyjną: 1. REGULATOR 2. ELEMENT POMIAROWY (czujnik) 3. ELEMENT WYKONAWCZY Między elementami automatyki informacje przesyłane są w postaci SYGNAŁÓW (oznaczone strzałkami). zakłócenia Z w e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y Człon pomiarowy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 70 35
10. Sygnały w UAR W technice automatycznej regulacji rozróżnia się dwa podstawowe typy sygnałów dla przekazywania odczytów, stanów, rozkazów i innych informacji między elementami automatyki: 1. SYGNAŁ CYFROWY ozn. D (ang. DIGITAL) sygnał przyjmuje tylko wartości 0 lub 1 jest to sygnał dwustawny np. zał./wył., start/stop, stan0/stan1 2. SYGNAŁ ANALOGOWY ozn. A (ang. ANALOG) sygnał przyjmuje dowolną wartość od 0 do 100% zakresu sygnału, jest to sygnał ciągły np. odczyt temperatury 1-0 - 100% - 0% - czas czas Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 71 10. Sygnały w UAR Sygnały obu rodzajów (A i D) mogą być dla danego elementu: 1. sygnałem wejściowym, ozn. I (ang. INPUT) 2. sygnałem wyjściowym, ozn. O (ang. OUTPUT) Otrzymujemy więc dla danego elementu automatyki: AI - sygnał wejściowy analogowy AO - sygnał wyjściowy analogowy DI - sygnał wejściowy cyfrowy DO - sygnał wyjściowy cyfrowy Sygnały w UAR występują w znormalizowanych postaciach, np. sygnały napięciowe, sygnały prądowe, sygnały rezystancyjne itd. Sygnał musi być użyteczny (zrozumiały) dla urządzenia będącego odbiorcą sygnału (dedykowane wejścia). AI Element automatyki AO DI Element automatyki DO Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 72 36
10. Sygnały w UAR Sygnał wyjściowy (O) dla danego elementu automatyki jest zazwyczaj sygnałem wejściowym (I) dla kolejnego elementu. Nie można bezpośrednio łączyć (mieszać) ze sobą sygnałów A i D. Istnieją dedykowane elementy automatyki zamieniające sygnały A na D lub D na A według założonych reguł. Elementy automatyki mogą mieć więcej niż jeden sygnał I i O. PRZYKŁAD: centrala wentylacyjna z nagrzewnicą powietrza. T Czujnik T AO START STOP AI DO DI AO AI Nagrzewnica elektryczna 0 100% Wartość zadana AO AI Regulator DO DI Wentylator 0/1 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 73 AUTOMATYKA Wykład 4 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 74 37
1. Elementy pomiarowe Automatyzacja procesów w inżynierii sanitarnej wymaga zastosowania czujników służących do pomiaru takich wielkości jak: temperatura, ciśnienie lub różnica ciśnień, wilgotność, przepływ lub strumień, prędkość przepływu, ilość (licznik), energia (licznik), poziom cieczy, entalpia, jakości powietrza zawartość CO2, ruch i obecność, zadymienie, położenie, przekroczenie zakresu, i inne. Pomiar każdej wielkości wymaga zastosowania dedykowanych elementów pomiarowych. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 75 2. Zasada działania elementów pomiarowych Urządzenia pomiarowe (czujniki) zamieniają mierzony parametr na wielkość użyteczną (zrozumiałą) dla UAR w postaci znormalizowanego sygnału np. opornościowego lub elektrycznego. Sygnał wyjściowy czujnika jest proporcjonalny do aktualnej wielkości wartości mierzonej, rośnie i maleje wraz z nią w całym zakresie pomiarowym czujnika według znanej właściwości (charakterystyka czujnika). Przykład: zanurzeniowy czujnik temperatury czynnika Temperatura czynnika C Znormalizowany sygnał rezystancyjny kω Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 76 38
3. Sygnały generowane przez elementy pomiarowe W zależności od potrzeb i możliwości przekazania danej informacji stosuje się czujniki generujące sygnały D lub generujące sygnały A. Za pomocą sygnału analogowego (A) można przekazać informacje ciągłe, np. wartość wielkości mierzonej (temperatury, ciśnienia, wilgotności, itp.). Zmieniająca się od 0 100% wartość sygnału odpowiada zmieniającej się wartości mierzonej, stosownie do zakresu pomiarowego. Za pomocą sygnału cyfrowego (D) można przekazać informacje dwustanowe, np. o osiągnięciu progu (ciśnienia, poziomu cieczy), z czujnika obecności, z czujnika krańcowego położenia, itp. Wartość dwustawnego sygnału (0 lub 1) odpowiada jednemu ze stanów. Za pomocą sygnału cyfrowego (D) przekazuje się również informacje zliczające (liczniki ilości, wodomierze, itp.). Pojedynczy, krótkotrwały sygnał cyfrowy reprezentuje jednostkę wielkości zliczanej. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 77 4. Dobór elementów pomiarowych Przy doborze czujnika należy zwrócić uwagę na: zakres pomiarowy dokładność wskazania rodzaj sygnałów wejściowych zastosowanego regulatora stałą czasową czujnika fizyczną możliwość zabudowy czujnika. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 78 39
5. Czujniki temperatury cieczy Do pomiaru temperatury cieczy w przewodach i zbiornikach stosuje się czujniki: 1. ZANURZENIOWE 2. PRZYLGOWE Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 79 5.1. Czujnik zanurzeniowy temperatury cieczy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 80 40
5.1. Czujnik zanurzeniowy temperatury cieczy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 81 Zmiana temperatury, % Zakres temperatur np.: -10 125 C 0 130 C -25 150 C Stała czasowa np.: 2, 7 czy 47 sekund 120 100 80 60 40 20 0 Ts = 2s Ts = 7s Ts = 47s 0 20 40 Czas, 60s 5.1. Czujnik zanurzeniowy temperatury cieczy Sposób zabudowy: Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 82 41
5.2. Czujnik przylgowy temperatury cieczy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 83 5.2. Czujnik przylgowy temperatury cieczy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 84 42
5.3. Czujnik temperatury powietrza w kanale wentyl. Do pomiaru temperatury powietrza w kanałach wentylacyjnych stosowane są czujniki kanałowe o małych stałych czasowych. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 85 5.3. Czujnik temperatury powietrza w kanale wentyl. Sposób zabudowy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 86 43
5.4. Czujnik temperatury wewnętrznej Do pomiaru temperatury powietrza w pomieszczeniach stosowane są czujniki przystosowane do montażu na ścianie. Zamknięte są w obudowach zabezpieczających je przed uszkodzeniem i poprawiających estetykę zamontowanego czujnika. Zakres pomiarowy -15...+40 C. Czujniki te mogą być wyposażane dodatkowo w zadajniki temperatury oraz wyświetlacze wartości mierzonej. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 87 5.4. Czujnik temperatury wewnętrznej Zasady montażu czujników temperatury wewnętrznej: 1. 2. 3. 4. 5. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 88 44
5.5. Czujnik temperatury zewnętrznej Czujniki do pomiaru temperatury powietrza zewnętrznego posiadają konstrukcję zabezpieczającą je przed niekorzystnym wpływem wilgoci oraz możliwość montażu na ścianach zewnętrznych budynków. Przy wyborze miejsca montażu należy wybieraćściany północne oraz północnowschodnie eliminując bezpośredni wpływ nasłonecznienia i innych zysków ciepła na pomiar temperatury powietrza. Zakres pomiarowy -30...+60 C. W układach wentylacyjnych temperatura powietrza zewnętrznego mierzona jest najczęściej czujnikiem kanałowym w kanale czerpni powietrza zewnętrznego. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 89 6. Czujniki wilgotności CZUJNIKI ELEKTRYCZNE oparte są na zastosowaniu substancji lub złożonych układów, które absorbują lub tracą wilgoć przy zmianie wilgotności względnej otoczenia, co powoduje zmianę ich właściwości elektrycznych. Sposób i zasady montażu jak przy kanałowych czujnikach temperatury. Sygnał 0 10V. Istnieją konstrukcje zawierające w jednej obudowie czujnik temperatury i wilgotności. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 90 45
7. Czujnik prędkości wiatru Kompensacja wpływu wiatru jest niezbędna w przypadku, gdy budynki lub strefy narażone są na silny wiatr, który ma wpływ na temperaturę w pomieszczeniu. Musi być on umieszczony w miejscu wystawionym na działanie wiatru: Ściana domu narażona na działanie wiatru W pobliżu rogu budynku Możliwie jak najwyżej, ale co najmniej na 2/3 wysokości budynku lub strefy Nie montować w pobliżu występów, osłon, drzew hamujących przepływ wiatru, ani w pobliżu otworów wentylacyjnych. Sygnał 0-10V. Zakres temp. -40..+60 C. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 91 8. Czujnik nasłonecznienia Czujnik stosowany w instalacjach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, w których wymagana jest kompensacja od promieniowania słonecznego oraz dla sterowania żaluzjami okiennymi. Kompensacja wpływu nasłonecznienia jest niezbędna w obiektach lub strefach z dużymi powierzchniami okiennymi, narażonymi na silne promieniowanie słoneczne. Montować min. 3m nad ziemią. Nie montować czujnika w cieniu drzew, domów, słupów itp. Sygnał 0 10V. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 92 46
9.1. Czujnik ciśnienia - pomiar ciśnienia Przetwornik ciśnienia przeznaczony jest do pomiaru ciśnienia, podciśnienia i ciśnienia absolutnego: gazów, par i cieczy. Elementem pomiarowym jest czujnik piezorezystancyjny krzemowy oddzielony od medium przez membranę elastyczną. Układ elektroniczny znajduje się w obudowie. Dany czujnik ciśnienia ma określony roboczy zakres ciśnień mierzonych, np.: 0 100 kpa 0 250 kpa 0 0,6 MPa 0 1 MPa 0 1,6 MPa 0 2,5 MPa 0 6 MPa Sygnał wyjściowy: 4 20 ma lub 0 10 V Błąd podstawowy: 0,4% Zakres temperatur mierzonego medium: -25 95 C Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 93 9.2. Czujnik ciśnienia - pomiar różnicy ciśnień Presostat RÓŻNICY CIŚNIEŃ Presostat różnicy ciśnień znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie muszą być sygnalizowane zmiany normalnych różnic ciśnienia (nadciśnienia i podciśnienia). Rurki impulsowe przenoszą ciśnienia z punktów pomiarowych do presostatu. Element pomiarowy to sprężyste mieszki lub membrany, których odkształcenie membrany powoduje styk elektryczny. Monitorowanie i sterowanie ciśnieniem różnicowym, monitorowanie przepływu, automatyczna kontrola stacji filtrów czy awarii wentylatorów. Przykładowe zakresy ciśnień: 0 1 mbar 0-10 bar 0 3 mbar 4-40 bar 0 10 mbar 6-60 bar 0 25 mbar Błąd pomiaru: 0,08% Sygnał wyjściowy: 0-10 V Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 94 47
9.3. Elektroniczny przetwornik ciśnienia Łączy w sobie funkcje: czujnika ciśnienia, presostatu, przetwornika z możliwością wyjścia przekaźnikowego. Posiada wyświetlacz wielkości mierzonej i ręczny nastawnik wartości zadanej różnicy ciśnień. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 95 10. Multisensor Montowany na suficie pomieszczenia. W jednej obudowie znajdują się czujniki: 1. Obecności. 2. Natężenie oświetlenia. 3. Temperatury. 4. Stężenia CO2. 5. Wykrywacz dymu. Dodatkowo może zawierać prosty regulator oświetlenia elektrycznego załączanego w funkcji obecności i natężenia oświetlenia naturalnego. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 96 48
11. Przepływomierze Do pomiaru strumienia przepływu cieczy: skrzydełkowe, ultradźwiękowe. W wykonaniu do wody zimnej i gorącej. Nadajnik impulsów Do zastosowań w UAR koniecznie z wyjściem sygnału pomiarowego: Impuls (np. 1 impuls = 10 dm 3 ) M-Bus (odczyt ciągły) Lon lub inne Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 97 12. Liczniki ciepła (ciepłomierze) Elementy składowe: przepływomierz z nadajnikiem impulsów dwa czujniki temperatury. integrator (przelicznik). Do zastosowań w UAR koniecznie z wyjściem sygnału pomiarowego: Impuls (np. 1 impuls = 1 kwh) M-Bus (odczyt ciągły energii, mocy i różnicy temperatur) Lon lub inne Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 98 49
13. Liczniki energii elektrycznej Do pomiarów zużytej energii elektrycznej. Dedykowane konstrukcje dla 1 230V i 3 400V. Do zastosowań w UAR koniecznie z wyjściem sygnału pomiarowego: Impuls (np. 1 impuls = 1 kwh) M-Bus (ciągły odczyt) Lon lub inne Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 99 14. Termostaty Termostaty mają bardzo szerokie zastosowanie w automatyzacji systemów grzewczych, chłodnictwie i klimatyzacji jako regulatory temperatury o działaniu dwustawnym oraz urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem lub spadkiem temperatury. Termostat = czujnik temperatury + regulator W termostatach najczęściej stosowane są czujniki rozszerzalnościowe temperatury: bimetalowe, prętowe czy membranowe. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 100 50
14.1. Termostaty zabezpieczające Termostaty zabezpieczające stosowane są do: zabezpieczania kotłów przed nadmiernym wzrostem temperatury czynnika grzejnego (STW), ograniczania temperatury podgrzewanego medium instalacjach c.o. i c.w.u. w węzłach ciepłowniczych (STB) zabezpieczania nagrzewnic elektrycznych przed nadmiernym wzrostem temperatury, Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 101 14.2. Termostaty przeciwzamrożeniowe Termostaty przeciwzamrożeniowe stosowane są do zabezpieczania przed zamrożeniem nagrzewnic wodnych central wentylacyjnych oraz przewodów wypełnionych zamarzającą cieczą. Elementem pomiarowym jest kapilara o długości 2 do 6m, która rozpinana jest na powierzchni zabezpieczanej nagrzewnicy. Przełączenie zestyku termostatu następuje, gdy temperatura dowolnego odcinka długości 30 cm lub dłuższej elementu pomiarowego spadnie poniżej wartości zadanej. Termostaty posiadają nastawialny zakres temperatury oraz stałą strefę histerezy. Termostat w zależności od wykonania, po ponownym wzroście temperatury może sam wrócić do stanu normalnego lub przywrócenie tego stanu musi być poprzedzone ręcznym odblokowaniem dźwigni kasującej (ręczny reset). Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 102 51
14.3. Termostaty pomieszczeniowe Termostaty pomieszczeniowe służą do sterowania: wentylokonwektorami, gdzie mogą załączać nagrzewnice elektryczne, otwierać lub zamykać zawory regulacyjne doprowadzające czynnik grzejny lub chłodniczy, zmieniać obroty silników napędzających wentylatory, grzejnikami elektrycznymi, pracą gazowych urządzeń grzewczych Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 103 AUTOMATYKA Wykład 5 Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 104 52
1. Elementy wykonawcze Napędy wraz z elementami wykonawczymi tworzą zespoły wykonawcze. Służą one do automatycznej realizacji zadań regulacji, wykonywania czynności wynikających z rozkazów regulatora. W technice najczęściej stosowanymi napędami są: SILNIKI pomp i wentylatorów SIŁOWNIKI zaworów, klap i przepustnic Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 105 2. Silniki pomp i wentylatorów Silniki elektryczne zasilane napięciem 230V (zasilanie jednofazowe) lub 3x400V (zasilanie trójfazowe) o prędkościach obrotowych (1/min) i mocach dostosowanych do potrzeb. Wyróżnia się: 1. Silniki ze stałą prędkością obrotową 2. Silniki ze stopniową zmianą prędkości obrotowej 3. Silniki z płynną zmianą prędkości obrotowej Silniki elektryczne mogą być wyposażone w sygnalizator awarii (sygnał zwrotny DO) lub/i sygnalizator stanu praca/stop (sygnał zwrotny DO). Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 106 53
3. Siłowniki zaworów i klap Służą do automatycznego (bezobsługowego) sterowania otwieraniem zaworów i klap. Realizują rozkazy regulatora. Sygnał z regulatora M Ruch siłownika Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 107 4. Siłowniki przepustnic Służą do automatycznego (bezobsługowego) sterowania otwieraniem przepustnic. Realizują rozkazy regulatora. M Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 108 54
5. Rodzaje siłowników W praktyce stosuje się: 1. Siłowniki elektryczne. 2. Siłowniki elektrohydrauliczne. 3. Siłowniki termoelektryczne. 4. Siłowniki elektromagnetyczne. 5. Siłowniki pneumatyczne. 6. Siłowniki regulatorów bezpośredniego działania. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 109 5.1. Elektryczne siłowniki zaworów energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną do napędzania elementu nastawczego trzpień siłownika napędzany jest silnikiem za pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o dużym przełożeniu silniki o stałej prędkości obrotowej z możliwością zmiany kierunku obrotu Otwórz Zamknij Trzpień zaworu Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 110 55
5.1. Elektryczne siłowniki zaworów Dla zapewnienia możliwości współpracy siłownika elektrycznego z zaworem regulacyjnym o określonej wartości skoku nominalnego, siłowniki KALIBRUJE się za pomocą wyłączników krańcowych wyłączających silnik. Czas potrzebny do przemieszczenia trzpienia siłownika z jednego położenia krańcowego w drugie nazywany jest czasem przejścia siłownika. Kalibracja siłowników proporcjonalnych odbywa się na drodze elektrycznej przy pomocy zewnętrznych mierników elektrycznych lub przy pomocy odpowiedniego ustawienia mikroprzełączników (zworek) w układzie elektrycznym siłownika. Nowoczesne siłowniki posiadają funkcję samokalibracji, polegającą na tym, że po mechanicznym sprzężeniu siłownika z zaworem i podłączeniu zasilania siłownik sam przemieszcza się w skrajne położenia zaworu i dopasowuje wartość sygnału do skoku zaworu. STOP STOP ZAWÓR REG. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 111 5.1. Elektryczne siłowniki zaworów Samson typ Sam Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 112 56
5.2. Elektryczne siłowniki przepustnic Szczególnym przypadkiem siłowników elektrycznych są napędy przepustnic, w których element nastawczy wykonuje ruch obrotowy zakresie 0 do 90. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 113 5.2. Elektryczne siłowniki przepustnic Siłownik firmy BELIMO Siłownik ze sprężyną zwrotną firmy BELIMO Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 114 57
5.3. Siłowniki elektrohydrauliczne łatwe realizowanie dużych sił powolny ruch elementu nastawczego lżejsze od analogicznych elektrycznych Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 115 5.4. Siłowniki termoelektryczne Sprzężony z trzpieniem element zamykający zawór zwiększa swoją objętość przez podgrzewanie przy pomocy grzałki elektrycznej (analogia do GZT). Wzrost temperatury powoduje przemieszczanie się trzpienia siłownika i zamykanie zaworu. Wyłączenie zasilania elektrycznego powoduje ochładzanie siłownika i otwieranie zaworu. Siłownik ma w zasadzie działanie dwustawne. Jednak ze względu na czas potrzebny do podgrzania i ponownego schłodzenia siłownika działanie to przyjmuje charakter quasiciągły. Zaletą siłownika jest prostota konstrukcji, niezawodność i niska cena. Siłowniki tego typu stosowane są do regulacji przepływu czynnika grzejnego (ziębniczego) w wentylokonwektorach (fancoilach) w układach wentylacji i klimatyzacji. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 116 58
5.5. Siłowniki elektromagnetyczne Po podaniu napięcia elektromagnes wciąga trzpień i ściska sprężynę. Zawór jest otwarty. Po zaniku napięcia sprężyna wypycha trzpień do dołu. Zawór jest zamknięty. Jest to zawór typu NC normalnie zamknięty. Możliwy jest również odwrotny układ siłownika NO normalnie otwarty, gdzie elektromagnes wypycha trzpień, a sprężyna go wciąga. Uwaga na uderzenie hydrauliczne! N S SPRĘZYNA MAGNES Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 117 5.6. Siłowniki pneumatyczne Zasilane sprężonym powietrzem. Stosowane w strefach zagrożenia wybuchem beziskrowe. Jednokierunkowe ze sprężyną zwrotną. Dwukierunkowe gdzie sprężone powietrze podawane jest zarówno nad jak i pod tłok. A B Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 118 59
6. Wyposażenie dodatkowe siłowników Funkcja bezpieczeństwa: sprężyna zamykająca lub otwierając siłownik w wypadku zaniku zasilania. Możliwość przełączanie ze sterowania automatycznego (AUTO) na sterowanie ręczne (MANUAL). Umożliwia przejęcie ręcznej kontroli nad siłownikiem bez konieczności wyłączania całego UAR. Funkcja wykorzystywana podczas prac serwisowych, np. dla odcięcia serwisowanego układu. Istnieją siłowniki z sygnałem zwrotnym osiągnięcia krańcowej pozycji lub awarii oraz z nadajnikiem aktualnej pozycji siłownika. Pozwala to weryfikować pracę siłownika i wykrywać stany awaryjne. Funkcja samokalibracji siłownika: automatyczne dostosowanie (ograniczenie) ruchu siłownika do danego elementu wykonawczego. 7. Sterowanie pracą siłowników Ze względu na sposób pracy i sygnał sterujący wyróżnia się: Siłowniki proporcjonalne sterowane sygnałem analogowym (A), płynnie ustawiające się w zadanym przez regulator położeniu od 0 do 100% otwarcia, proporcjonalnie do sygnału sterującego z regulatora. Siłowniki trójstawne sterowane dwoma sygnałami cyfrowymi (D1 i D2), realizujące jeden z trzech stanów: obrót w jedną (otwieraj), drugą stronę (zamykaj) i postój. Stopień otwarcia określany jest czasem trwania odpowiedniego sygnału sterującego D. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 119 8. Dobór siłowników Dobierając siłownik należy zwrócić uwagę na: 1. Siłę wyjściową lub moment obrotowy [N] 2. Nominalny skok [mm] lub kąt obrotu [ ] 3. Prędkość ruchu (czas przejścia) [sek] oraz 4. sygnał sterujący z regulatora (A lub D) 5. napięcie zasilania (24 lub 230V) 6. połączenie z elementem wykonawczym 7. funkcje bezpieczeństwa 8. dopuszczalne warunki pracy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 120 60
9. Zawory regulacyjne W skład zespołu wykonawczego wchodzi element wykonawczy zawór lub przepustnica oraz napęd nazywany siłownikiem. Zadaniem zaworów regulacyjnych jest zmiana strumienia objętości w przyporządkowanym do niego obwodzie będącym obiektem regulacji, aby np. oddziaływać na moc cieplną wymiennika. Zmiana strumienia wywoływana jest poprzez przymknięcie lub otwarcie zaworu. Ruch grzyba zaworu powoduje trzpień współpracujący z siłownikiem. Gniazdo zaworu i grzyb są z reguły wykonane z uszczelnieniem metal na metal. W technice instalacyjnej spotyka się zawory regulacyjne: 1. Przelotowe (jednodrogowe) 2. Trójdrogowe (mieszające lub rozdzielające) A A+B A+B A Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 121 B B 9.1. Charakterystyka liniowa zaworu jednodrogowego W wypadku liniowej przepływowej charakterystyki zaworu zależność między strumieniem objętości a skokiem jest określana równaniem: Przepływ Otwarcie zaworu Jeżeli skok zaworu ulegnie zmianie, to dla punktów 1-2 procentowa zmiana strumienia objętości będzie większa niż dla punktów 3-4. Wynika z tego, że w dolnym zakresie skoku zmiana otwarcia zaworu powoduje większe zmiany strumienia. Jest to wadą zaworów o liniowej charakterystyce: zbyt duża reakcja w dolnym i zbyt duża czułość w górnym zakresie skoku. Tej wady nie wykazują zawory o charakterystyce stałoprocentowej, gdzie w całym zakresie skoku uzyskiwana jest stała zależność procentowej zmiany strumienia objętości. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 122 61
9.2. Charakterystyka stałoprocentowa zaworu W wypadku liniowej przepływowej charakterystyki zaworu zależność między strumieniem objętości a skokiem jest określana równaniem: Przepływ Otwarcie zaworu Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 123 9.3. Zawory regulacyjne przelotowe KONSTRUKCJA Grzyb jest zamykany przeciwnie do kierunku przepływu. 1 - dolna część korpusu, 2 - korpus, 3 - element dławiący, 4 - pierścień gniazda, 5 - pokrywa korpusu, 6 - trzpień, 7 - trzpień zaworu, 8 - nakrętka kołpakowa, 9 - pierścień kształtowany pod wpływem ciśnienia, 10 - pierścień teflonowy, 11 - pierścień podstawowy, 12 - nakrętka z otworem krzyżowym, 13 sprężyna, 14 -śruba dwustronna z nakrętkami Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 124 62
9.4. Zawory regulacyjne trójdrogowe Hydraulicznie zawór trójdrogowy jest złożeniem dwóch przeciwstawnie pracujących zaworów jednodrogowych. A A+B = A A+B B B Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 125 9.4. Zawory regulacyjne trójdrogowe Trójdrogowe zawory regulacyjne: Mieszające Rozdzielające ZRM ZRR Cecha charakterystyczna: Powierzchnia przekroju jest zmieniana w dwóch gniazdach w przeciwnych kierunkach. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 126 63
9.5. Charakterystyki ZRT Jest to zależność strumienia objętości przepływających przez przekroje zaworu na przyłączach A i B oraz całkowitego strumienia objętości na przyłączu AB od skoku h trzpienia zaworu. Char. c) wykorzystywana jest szczególnie w wypadku regulacji instalacji ogrzewania wodnego (AB stałe). Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 127 10. Przepustnice regulacyjne Przepustnice regulacyjne lub nastawcze stosuje się w instalacjach powietrznych do zmian ilości lub ciśnienia powietrza w zależności od zadanych wielkości np. temperatury. Są one jednoelementowe lub wieloelementowe, te zaś dzielą się na przepustnice żaluzjowe ze współbieżnymi lub przeciwbieżnymi łopatkami. Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 128 64
10.1. Zastosowanie przepustnic 1. Przepustnice zamykające do zewnętrznego powietrza i powietrza wywiewanego. Montowane na początku i końcu instalacji służą do zamykania i mają z tego względu pozycję zamknięty-otwarty. 2. Przepustnice dławiące do zmiany ilości powietrza powinny z reguły posiadać przeciwbieżne łopatki. 3. Przepustnice mieszające są stosowane w urządzeniach klimatyzacyjnych do mieszania powietrza recyrkulacyjnego z powietrzem zewnętrznym. 4. Przepustnice obejściowe powinny mieć opór przy otwarciu w przybliżeniu równy oporowi wymiennika ciepła, tak aby ilość powietrza pozostawała w przybliżeniu stała (zwężenie, duża prędkość). Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 129 11. Regulatory Regulator jest urządzeniem zapewniającym zgodność przebiegu procesu z przebiegiem pożądanym, czyli spełnienie podstawowego warunku regulacji. W regulatorze następuje porównanie chwilowej kontrolowanej wartości zmiennej y z wartością zadaną w. Odchyłka regulacji e (różnica między w i y ) powoduje wytworzenie sygnału wyjściowego (sterującego) u, którego wartość zależy od wielkości, czasu trwania oraz szybkości zmian odchyłki e. Zadaniem sygnału sterującego u jest wywołanie zmian zmniejszających odchyłkę regulacji e do wielkości dopuszczalnej. Sygnał wyjściowy regulatora powinien mieć postać dogodną do uruchomienia właściwych urządzeń wykonawczych. zakłócenia Z w y e Regulator u Człon wykonawczy Obiekt regulacji y w u Człon pomiarowy Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 130 65
12. Podział regulatorów Klasyfikacja regulatorów w układach automatycznej regulacji może odbywać się według różnych kryteriów. Najpowszechniejsze to: 1. Według wielkości regulowanej jaka wielkość fizyczną lub proces jest regulowana. 2. Według energii pomocniczej wymaganej do pracy (napędu czy zasilania) regulatora. 3. Według zachowania się w czasie Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 131 12.1. Podział według wielkości regulowanych Podział i nazewnictwo przeprowadza się według wielkości fizycznej jaką dany regulator reguluje w danym układzie (utrzymuje na stałym poziomie lub w zadanych granicach, zmienia ją według zadanego programu lub dostosowuje do aktualnych potrzeb). Na tej podstawie wyróżnia się: regulatory temperatury (np. czynnika grzejnego) regulatory wilgotności (np. powietrza nawiewanego) regulatory ciśnienia (np. w przepompowni) regulatory ilości (np. strumienia masowego) i inne 12.2. Podział według energii pomocniczej Podział i nazewnictwo przeprowadza się według rodzaju energii pomocniczej z zewnętrznego źródła jakiej dany regulator wymaga dla poprawnej pracy (zasilanie). Na tej podstawie wyróżnia się: regulatory bez energii pomocniczej (bezpośredniego działania) regulatory elektryczne regulatory cyfrowe (mikroprocesorowe) regulatory pneumatyczne regulatory elektro-pneumatyczne i inne Wykład - na prawach rękopisu AUTOMATYKA 132 66